一种基于结构光视觉成像系统的弹簧节距测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于结构光视觉成像系统的弹簧节距测量方法，其特征在于：先使线结构光与弹簧轴线方向平行照射，标记好亮度超过阈值的区域，使用两步重心法提取法提取精确的光心坐标并拟合直线，根据光心在直线上的投影点，计算平均导程并评价其稳定性；本发明专利技术能解决传统方法标定复杂与标定精度较低的难题，使用双远心镜头代替普通镜头，能够避免随着离光心越远，物方亮度越低的亮度不均匀问题，而且畸变小，还可以简化标定过程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于结构光视觉成像系统的弹簧节距测量方法
本专利技术涉及一种基于结构光视觉成像系统的弹簧节距测量方法，属于图像测量

技术介绍
弹簧涵盖了减震、储能、控制及维持张力等诸多方面的功能，具有可伸缩、可展开、柔性造型空间大、结构省材等突出特点，目前其应用范围越来越广泛，随着航空航天、轮船、高铁、汽车等领域的快速发展，对弹簧的制造精度要求越来越高。然而现有的一些接触式检测手段大都难以满足需求，且难以适用于弹簧这一柔性物体上,检测速度慢，效率低，检测精度不高等。而常用的非接触电容传感检测虽然精度较高，但受温度、湿度等环境因素影响较大，难以用于工业在线检测,并且单一规格的传感器很难完成对多种规格弹簧的测量，随着光电传感元件的发展,光学图像测量技术已经成为一种速度快,精度高,受环境变化影响小的一种非接触几何量测量方案。本专利技术基于结构光视觉成像系统，利用结构光照射弹簧，标记弹簧轴向截形轮廓，并运用相机进行拍照成像，通过对成像图片进行数据处理，从而得到弹簧节距。该方法具有测量速度快，检测精度高，受环境影响小等有点，非常适用于工业在线测量弹簧。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题弹簧由于本身特性原因，使用传统接触式测量容易造成形变，结果将变得不够精确，而使用常规的机器视觉方法可以做到非接触测量，不仅速度可以更快，而且可以做到在线测量。但该机器视觉方法需要标记线结构光光平面，进行坐标转换，而应用新的机器视觉方法，能解决传统方法标定复杂与标定精度较低的难题。该方法使用双远心镜头代替普通镜头，能够避免随着离光心越远，物方亮度越低的亮度不均匀问题，而且畸变小，还可以简化标定过程。(二)技术方案本专利技术的一种基于结构光视觉成像系统的弹簧节距测量方法，其特征在于：先使线结构光与弹簧轴线方向平行照射，标记好亮度超过阈值的区域，使用两步重心法提取法提取精确的光心坐标并拟合直线，根据光心在直线上的投影点，计算平均导程并评价其稳定性；其具体步骤如下：1)安装好线结构光发射器与工业相机，固定相对位置，系统安装如附图1所示；2)对远心系统的参数进行标定需要两步，第一步，根据如附图2所示的坐标系，物像转换关系可以用一个矩阵变换形式表示，即：g＝P·R·T·Ψ(1)式中，g——像方坐标矩阵；P——内参矩阵；R——旋转矩阵；T——平移矩阵；Ψ——物方坐标矩阵；设Ov到Zu轴的距离为C1,Ov到Xu轴的距离为C2，则上述诸子矩阵为其中，k为双远心镜头的放大倍率与CMOS像源尺寸的比率。将上述子矩阵代入式(1)得到远心镜头系统物象映射关系为：x＝0yu＝-yv/kzu＝-xv/(k·sinb)图像坐标与像素坐标的关系为：其中μ为CMOS像源尺寸，一般尺寸为正方形，所以不做长宽上的区别。选定矩形窗口范围，如附图3所示，选取左上和右下的两个坐标A、B，得到区域范围内所有角点像方坐标与对应物方坐标的值，代入式(1)，以最小二乘法解出所有参数。但该结果只考虑到一阶误差，由于镜头制造和安装的问题，一般会存在径向畸变、偏心畸变、薄棱镜畸变而影响图像的精度，该图像畸变过程为：其中下标d代表图像畸变后的坐标。第二步标定，将R,T,P,q1,h1,h2,s1,s2代入下式，使用Levenberg-Marquardt算法来优化各变量，得到最小的代价函数F：其中，属于图像坐标系，是根据方程(1)重映射的点。代入最优化的初值中，R,T,P均为第一步得到的值，q1,h1,h2,s1,s2均为0；3)将弹簧固定在测量平面上，调整线结构光使得线结构光与弹簧轴线平行，工业相机拍摄弹簧图像，如附图4所示；4)对图像使用均值滤波，然后取R通道。如附图5，并对R通道使用二值化处理，仅保留亮度值220以上的数据，对图像进行8连通域查找，并记录所有亮点块的坐标，此时所有亮点的亮度为1，其余暗点为0，如附图6，使用的均值滤波算法为：其中，f(xi,yj)为点(xi,yj)的亮度值。8连通域算法为，对上式中的每个M矩阵进行判断，若除中间点外的8个像素亮度值有为1的，则将该像素坐标归到连通域集合Gn，由此可将附图6中的亮块区域归类为多个连通域集合；5)对二值化图像做屏蔽操作，方法为选取弹簧视野区域内的两点坐标，可获得一个矩形，该矩形窗口内仅保留感兴趣区域，去除背景杂光与无需参与计算的弹簧表面亮点，如附图7所示6)对每个连通域集合计算重心坐标，如附图8所示，算法为：其中，Ln为连通域集合Gn的重心坐标；7)利用步骤6得到的粗略重心坐标，对均值滤波后取的R通道图像使用圆形窗口加权重心法，窗口半径为N个像素，N的数值根据相机像素而定，重新寻找更精确的重心坐标，如附图9所示。加权重心算法为：其中，m为加权次数；8)对所有重提取的重心坐标位置进行直线拟合，获得大致经过重心坐标的直线的方程Y＝AX+B，如附图10所示。直线拟合算法为：其中，pinv为求非标准方阵的广义逆的函数；9)将所有重心坐标垂直投影在该直线上，对所有直线上点的距离取平均值，得到平均像素距离d及方差，如附图11所示，点到直线的投影算法为：联立以上方程，解出投影点(X1,Y1)的坐标，其中(X0,Y0)为重提取的重心坐标；10)根据拟合直线的三角函数关系，将d分解为x轴方向和y轴方向，分别除以放大系数k与k·sinb，得到平均导程D：(三)有益效果本专利技术与现有技术相比较，其具有以下有益效果：本专利技术能解决传统方法标定复杂与标定精度较低的难题，使用双远心镜头代替普通镜头，能够避免随着离光心越远，物方亮度越低的亮度不均匀问题，而且畸变小，还可以简化标定过程。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术的结构光测量弹簧示意图；图2是本专利技术的物方和像方坐标系示意图；图3是本专利技术的选定标定范围示意图；图4是本专利技术的线结构光与弹簧表面的交互示意图；图5是本专利技术的对原图滤波后取R通道示意图；图6是本专利技术的二值化处理后的图像示意图；图7是本专利技术的保留窗口内感兴趣区域示意图；图8是本专利技术的某二值化区域的重心位置示意图；图9是本专利技术的红色点为重提取的重心位置示意图；图10是本专利技术的用光重心坐标拟合直线方程示意图；图11是本专利技术的光重心在拟合直线上的投影示意图。具体实施方式作为本专利技术较佳实施例：一种基于结构光视觉成像系统的弹簧节距测量方法，其特征在于：先使线结构光与弹簧轴线方向平行照射，标记好亮度超过阈值的区域，使用两步重心法提取法提取精确的光心坐标并拟合直线，根据光心在直线上的投影点，计算平均导程并评价其稳定性；其具体步骤如下：1)安装好线结构光发射器与工业相机，固定相对位置，系统安装如附图1所示；2)对远心系统的参数进行标定需要两步，第一步，根据如附图2所示的坐标系，物像转换关系可以用一个矩阵变换形式表示，即：g＝P·R·T·Ψ(1)式中，g——像方坐标矩阵；P——内参矩阵；R——旋转矩阵；T——平移矩阵；Ψ——物方坐标矩阵；设Ov到Zu轴的距离为C1,Ov到Xu轴的距离为C2，则上述诸子矩阵为其中，k为双远心镜头的放大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于结构光视觉成像系统的弹簧节距测量方法，其特征在于：先使线结构光与弹簧轴线方向平行照射，标记好亮度超过阈值的区域，使用两步重心法提取法提取精确的光心坐标并拟合直线，根据光心在直线上的投影点，计算平均导程并评价其稳定性；其具体步骤如下：1)安装好线结构光发射器与工业相机，固定相对位置，系统安装如附图1所示；2)对远心系统的参数进行标定需要两步，第一步，根据如附图2所示的坐标系，物像转换关系可以用一个矩阵变换形式表示，即：g＝P·R·T·Ψ   (1)式中，g——像方坐标矩阵；P——内参矩阵；R——旋转矩阵；T——平移矩阵；Ψ——物方坐标矩阵；设Ov到Zu轴的距离为C1,Ov到Xu轴的距离为C2，则上述诸子矩阵为：

【技术特征摘要】
1.一种基于结构光视觉成像系统的弹簧节距测量方法，其特征在于：先使线结构光与弹簧轴线方向平行照射，标记好亮度超过阈值的区域，使用两步重心法提取法提取精确的光心坐标并拟合直线，根据光心在直线上的投影点，计算平均导程并评价其稳定性；其具体步骤如下：1)安装好线结构光发射器与工业相机，固定相对位置，系统安装如附图1所示；2)对远心系统的参数进行标定需要两步，第一步，根据如附图2所示的坐标系，物像转换关系可以用一个矩阵变换形式表示，即：g＝P·R·T·Ψ(1)式中，g——像方坐标矩阵；P——内参矩阵；R——旋转矩阵；T——平移矩阵；Ψ——物方坐标矩阵；设Ov到Zu轴的距离为C1,Ov到Xu轴的距离为C2，则上述诸子矩阵为：其中，k为双远心镜头的放大倍率与CMOS像源尺寸的比率。将上述子矩阵代入式(1)得到远心镜头系统物象映射关系为：x＝0yu＝-yv/kzu＝-xv/(k·sinb)图像坐标与像素坐标的关系为：其中μ为CMOS像源尺寸，一般尺寸为正方形，所以不做长宽上的区别。选定矩形窗口范围，如附图3所示，选取左上和右下的两个坐标A、B，得到区域范围内所有角点像方坐标与对应物方坐标的值，代入式(1)，以最小二乘法解出所有参数。但该结果只考虑到一阶误差，由于镜头制造和安装的问题，一般会存在径向畸变、偏心畸变、薄棱镜畸变而影响图像的精度，该图像畸变过程为：其中下标d代表图像畸变后的坐标。第二步标定，将R,T,P,q1,h1,h2,s1,s2代入下式，使用Levenberg-Marquardt算法来优化各变量，得到最小的代价函数F：其中，属于图像坐标系，是根据方程(1)重映射的点。代入最优化的初值中，R,T,P均为第一步得到的值，q1,h1,h2,s1,s2均为0；3)将弹簧固...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洪亮，
申请(专利权)人：浙江聚力智能机械设备有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33